hk ii thermo dan siklus carnot s1

HUKUM TERMODINAMIKA II HUKUM TERMODINAMIKA II dan dan

SIKLUS CARNOTSIKLUS CARNOT

Hukum Termodinamika IIHukum Termodinamika II


• Hukum pertama membahas Hukum pertama membahas mengenai konservasi energi.mengenai konservasi energi.

• Hukum kedua mengatur bagaimana Hukum kedua mengatur bagaimana kemungkinan konversi.kemungkinan konversi.– Semua proses aktual hanya bergerak Semua proses aktual hanya bergerak

pada satu arahpada satu arah– Energi panas tidak dapat dikonversi Energi panas tidak dapat dikonversi

seluruhnya menjadi energi mekanikseluruhnya menjadi energi mekanik


Kegunaan hukum termo II Kegunaan hukum termo II • mengidenfikasi arah dari suatu prosesmengidenfikasi arah dari suatu proses• mengetahui kualitas energi (hukum I mengetahui kualitas energi (hukum I

berhubungan dengan kuantitas energi berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi) dan perubahan bentuk energi)

• menentukan batas toeritis unjuk kerja menentukan batas toeritis unjuk kerja suatu sistem suatu sistem

• memperkirakan kelangsungan reaksi memperkirakan kelangsungan reaksi kimia (kimia (degree of completion of chemical degree of completion of chemical reactionreaction) )

Mesin Kalor (Mesin Kalor (heat enginesheat engines))

• konversi panas menjadi kerja bisa konversi panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan yang dinamakan dengan mesin kalor (heat engines) dengan mesin kalor (heat engines)

• Sebuah mesin kalor dapat Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut : dikarakteristikkan sebagai berikut :

1.1. Mesin kalor menerima panas dari source Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll). furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).

2.2. Mesin kalor mengkonversi sebagian Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar) dalam bentuk poros yang berputar)

3.3. Mesin kalor membuang sisa panas ke Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.sink bertemperatur rendah.

4.4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.siklus.

Mesin Kalor (Mesin Kalor (heat enginesheat engines))

• Adalah mustahil untuk Adalah mustahil untuk membuat sebuah membuat sebuah mesin kalor yang mesin kalor yang bekerja hanya dengan bekerja hanya dengan mengambil panas dari mengambil panas dari Source dan menyerap Source dan menyerap seluruhnya menjadi seluruhnya menjadi energienergi

EfesiensiEfesiensi• Untuk semua proses cyclic, Untuk semua proses cyclic, UU

= 0= 0

• dimana dimana WW = = QQhh - - QQcc

• Efesisensi termalEfesisensi termal adalah adalah perbandingan antara kerja perbandingan antara kerja yang dilakukan dengan yang dilakukan dengan energi panas yang energi panas yang diperoleh dari diperoleh dari reservoirreservoir panas (panas (sourcesource).).

hQ

We

h

ch

Q

QQ

h

c

Q

Qe 1


• Konsekwensi hukum Konsekwensi hukum termodinamika II; mustahil termodinamika II; mustahil membuat mesin dengan efesiensi membuat mesin dengan efesiensi 100%.100%.– Automobile engine < 20%Automobile engine < 20%– Diesel engine < 40%Diesel engine < 40%– Turbine uap < 50 %Turbine uap < 50 %

RefrigeratorsRefrigerators

• refrigerator refrigerator adalah mesin adalah mesin kalor yang kalor yang bekerja secara bekerja secara terbalikterbalik

RefrigeratorsRefrigerators• Alat ini bekerja dalam Alat ini bekerja dalam

sebuah siklus, dimana sebuah siklus, dimana kerja dilakukan untuk kerja dilakukan untuk mengambil energi panas mengambil energi panas ||QQLL| dari dari reservoir | dari dari reservoir temperatur dingintemperatur dingin

• Coefficient of Coefficient of performance performance CC dari dari refrigerator refrigerator didefinisikan : didefinisikan :

• Pompa kalor mentransfer panas dari Pompa kalor mentransfer panas dari media temperatur rendah ke media media temperatur rendah ke media temperatur tinggitemperatur tinggi

• Coefficient of performance pompa Coefficient of performance pompa kalor :kalor :

Pompa KalorPompa Kalor

Proses ReversibleProses Reversible

• Proses reversible Proses reversible adalah proses yang adalah proses yang dapat dibalik tanpa meninggalkan jejak dapat dibalik tanpa meninggalkan jejak pada lingkungannyapada lingkungannya

• Proses irreversible Proses irreversible adalah kebalikan dari adalah kebalikan dari proses reversibleproses reversible

• Proses reversible memiliki efesiensi Proses reversible memiliki efesiensi maksimum yang mungkin dari suatu maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor.mesin kalor.

The Carnot Cycle and Ideal Heat EnginesThe Carnot Cycle and Ideal Heat Engines::• Siklus carnot adalah siklus reversible yang dikemukakan pertama Siklus carnot adalah siklus reversible yang dikemukakan pertama

kali oleh sadi carnot tahun 1824kali oleh sadi carnot tahun 1824• Mesin yang menggunakan siklus karnot disebut mesin carnotMesin yang menggunakan siklus karnot disebut mesin carnot• Kenyataannya tidak ada mesin kalor yang beroperasi diantara dua Kenyataannya tidak ada mesin kalor yang beroperasi diantara dua

reservoir panas yang efesiensinya melebihi efesiensi mesin carnotreservoir panas yang efesiensinya melebihi efesiensi mesin carnot

The Carnot CycleThe Carnot Cycle• Idealisasi siklus thermodinamik yang terdiri dari empat proses reversible :

Reversible isothermal expansion (1-2, TH=constant) Reversible adiabatic expansion (2-3, Q=0, THTL) Reversible isothermal compression (3-4, TL=constant) Reversible adiabatic compression (4-1, Q=0, TLTH)

1-2 2-3 3-4 4-1

The Carnot CycleThe Carnot CycleKerja dilakukan oleh gas = PdV, daerah dibawah kurva proses 1-2-3.

1

2

3

32

1

Kerja dilakukan padagas = PdV, daerah dibawah kurva proses 3-4-1

subtract

Net work1

2

34

dV>0 dari 1-2-3PdV>0

sejak dV<0PdV<0

The Carnot PrinciplesThe Carnot Principles• The efficiency of an irreversible heat engine is always less than the efficiency of a reversible one operating between the same two reservoirs. th, irrev < th, rev

• The efficiencies of all reversible heat engines operating between the same two reservoirs are the same. (th, rev)A= (th,

rev)B

• Both Can be demonstrated using the second law (K-P statement and C-statement). Therefore, the Carnot heat engine defines the maximum efficiency any practical heat engine can reach up to.

Efficiency of a Carnot Efficiency of a Carnot EngineEngine

The Carnot PrinciplesThe Carnot Principles

• Thermal efficiency Thermal efficiency thth=W=Wnetnet/Q/QHH=1-(Q=1-(QLL/Q/QHH)=f(T)=f(TLL,T,THH) ) and it can be shown that and it can be shown that thth=1-(Q=1-(QLL/Q/QHH)=1-(T)=1-(TLL/T/THH). ). This is called the Carnot efficiency.This is called the Carnot efficiency.

• For a typical steam power plant operating For a typical steam power plant operating between Tbetween THH=800 K (boiler) and T=800 K (boiler) and TLL=300 K(cooling =300 K(cooling tower), the maximum achievable efficiency is tower), the maximum achievable efficiency is 62.5%.62.5%.

Let us analyze an ideal gas undergoing a Carnot cycle between two temperatures TH and TL. 1 to 2, isothermal expansion, DU12 = 0

QH = Q12 = W12 = PdV = mRTHln(V2/V1)

2 to 3, adiabatic expansion, Q23 = 0(TL/TH) = (V2/V3)k-1 (1)

3 to 4, isothermal compression, DU34 = 0QL = Q34 = W34 = - mRTLln(V4/V3)

4 to 1, adiabatic compression, Q4 to 1, adiabatic compression, Q4141 = 0 = 0

(T(TLL/T/THH) = (V) = (V11/V/V44))k-1k-1 (2) (2)

From (1) & (2), (VFrom (1) & (2), (V22/V/V33) = (V) = (V11/V/V44) and (V) and (V22/V/V11) = (V) = (V33/V/V44))

thth = 1-(Q = 1-(QLL/Q/QHH )= 1-(T )= 1-(TLL/T/THH) since ln(V) since ln(V22/V/V11) = ln(V) = ln(V44/V/V33))

It has been proven that It has been proven that thth = 1-(Q = 1-(QLL/Q/QHH )= 1-(T )= 1-(TLL/T/THH) for all Carnot ) for all Carnot engines since the Carnot efficiency is independent of the working engines since the Carnot efficiency is independent of the working substance.substance.

Efficiency of a Carnot EngineEfficiency of a Carnot Engine

Efficiency of a Carnot EngineEfficiency of a Carnot Engine

Karena siklus carnot bekerja pada dua Karena siklus carnot bekerja pada dua daerah isothermal dan adiabatis makadaerah isothermal dan adiabatis maka

h

c

h Q

Q

Q

We 1

h

c

h

c

T

T

Q

Q

h

cCarnot T

Te 1

Ideal, Carnot efficiency:

Carnot EfficiencyCarnot Efficiency

A Carnot heat engine operating between a high-temperature source at 900 K and reject heat to a low-temperature reservoir at 300 K.

(a) Determine the thermal efficiency of the engine. (b) If the temperature of the high-temperature source

is decreased incrementally, how is the thermal efficiency changes with the temperature.


th

L

H

th H

H

th H

L

T

T

K

TT

K

TT

1 1300

9000 667 66 7%

300

1300

900

1900

. .

( )

( )

( )

( )

Fixed T and lowering T

The higher the temperature, the higher the "quality"

of the energy: More work can be done

Fixed T and increasing T

L H

H L

200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temperature (TL)

Eff

icie

ncy

TH( )TL

TL

200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temperature (TH)

Eff

icie

ncy

Th( )T

T

Lower TH


• Similarly, the higher the temperature of the low-temperature sink, the more difficult for a heat engine to transfer heat into it, thus, lower thermal efficiency also. That is why low-temperature reservoirs such as rivers and lakes are popular for this reason.


• To increase the thermal efficiency of a gas To increase the thermal efficiency of a gas power turbine, one would like to increase power turbine, one would like to increase the temperature of the combustion the temperature of the combustion chamber. However, that sometimes chamber. However, that sometimes conflict with other design requirements. conflict with other design requirements. Example: turbine blades can not withstand Example: turbine blades can not withstand the high temperature gas, thus leads to the high temperature gas, thus leads to early fatigue. Solutions: better material early fatigue. Solutions: better material research and/or innovative cooling design.research and/or innovative cooling design.


• Work is in general more valuable compared Work is in general more valuable compared to heat since the work can convert to heat to heat since the work can convert to heat almost 100% but not the other way around. almost 100% but not the other way around. Heat becomes useless when it is transferred Heat becomes useless when it is transferred to a low-temperature source because the to a low-temperature source because the thermal efficiency will be very low according thermal efficiency will be very low according to hth=1-(Tto hth=1-(TLL/T/THH). This is why there is little ). This is why there is little incentive to extract the massive thermal incentive to extract the massive thermal energy stored in the oceans and lakes.energy stored in the oceans and lakes.

Refrigerator dan Pompa kalorRefrigerator dan Pompa kalorCarnotCarnot

COP Refrigerasi Dan Pompa COP Refrigerasi Dan Pompa KalorKalorCarnotCarnot

Kesimpulan Hukum I dan II Kesimpulan Hukum I dan II TermodinamikaTermodinamika

• Hukum Pertama mengatakan : Hukum Pertama mengatakan : U = W + q ; U = W + q ; Anda tidak dapat memperoleh lebih banyak Anda tidak dapat memperoleh lebih banyak energi dari sistem melebihi yang telah anda energi dari sistem melebihi yang telah anda berikan pada sistem (berikan pada sistem (you can’t winyou can’t win))

• Hukum kedua Hukum kedua mengatakan :efesiensi<100%; anda tidak mengatakan :efesiensi<100%; anda tidak dapat memperoleh energi sebanyak yang dapat memperoleh energi sebanyak yang telah anda berikan pada sistem (telah anda berikan pada sistem (you can’t you can’t break evenbreak even))

hk ii thermo dan siklus carnot s1

Documents